(57)【要約】【課題】  ＬＳＩなどの電子部品の上に載置したヒートシンクを電子部品の形状にならう形で変形させることによって、良好な放熱性が得られるようにする。【解決手段】  ヒートシンク１は、底面を複数の部分領域に分割する線に沿って容易に折れ曲がる構造を有する。ヒートシンク１を熱伝導グリース３を介してＬＳＩ４の上に載置し、ヒートシンク固定ピン２によって、ヒートシンク１の前記部分領域がＬＳＩ４と重なる部分の中央付近の箇所でＬＳＩ４に押し付けるように固定する。すると、接する電子部品の形状にならう形でヒートシンク１が変形し、ＬＳＩ４とヒートシンク１間の平均的な距離が狭まり、熱抵抗の低減化が図れる。【選択図】  図２
2006237060.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
底面を複数の部分領域に分割する線に沿って容易に折れ曲がる構造を有するヒートシンク。
【請求項２】
底面の外周から中央の繋ぎ部まで延びる複数のスリットを有し、前記スリットによって分割された複数のヒートシンク片が前記繋ぎ部で折れ曲がり易くなっている請求項１記載のヒートシンク。
【請求項３】
前記繋ぎ部と前記ヒートシンク片とが同じ材質で一体に形成されており、かつ、前記繋ぎ部が折れ曲がり易いように薄く加工されている請求項２記載のヒートシンク。
【請求項４】
前記繋ぎ部が弾性体で形成されている請求項２記載のヒートシンク。
【請求項５】
４本のスリットが十字の形を成すように形成され、４個のヒートシンク片が前記繋ぎ部で連結されている請求項２記載のヒートシンク。
【請求項６】
底面のほぼ中央部を横断する形で溝が設けられており、前記溝の部分で折れ曲がり易くなっている請求項１記載のヒートシンク。
【請求項７】
基板と、前記基板に実装された電子部品と、底面を複数の部分領域に分割する線に沿って容易に折れ曲がる構造を有するヒートシンクと、前記ヒートシンクをその前記部分領域が前記電子部品と重なる部分の中央付近の箇所で前記電子部品に押し付けて固定するための固定部材とを備えたことを特徴とするヒートシンクの実装構造。
【請求項８】
前記ヒートシンクとして、請求項１乃至６の何れか１項に記載されたヒートシンクを用いることを特徴とする請求項７記載のヒートシンクの実装構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板に実装された半導体装置などの電子部品の発生する熱を放熱させるヒートシンク及びその実装構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路（以下、ＬＳＩと称す）の実装構造には、内部にシリコンチップを内蔵したＱＦＰやＢＧＡをプリント基板に搭載する構造や、裸のＬＳＩをプリント基板に搭載するフリップチップ実装といった構造がある。何れの場合も、発熱するＬＳＩに対してはヒートシンクをＬＳＩ上に取り付ける構造が一般的である。
【０００３】
従来のヒートシンクの実装構造の一例が特許文献１に記載されている。特許文献１に記載されるヒートシンクの実装構造では、プリント基板に実装されたＬＳＩの上面に放熱シートを介してヒートシンクを載置し、このヒートシンクをバネ性を有する固定部材でＬＳＩに押し付けて固定している。ヒートシンクは、底面がほぼ平坦になっており、その反対面に多数のフィンが形成されている。
【０００４】
ヒートシンクの実装構造の他の一例が特許文献２に記載されている。この特許文献２では、板状のヒートシンクにコの字形、ニの字形、Ｈ字形等の任意形状のスリットを形成して、ＬＳＩと貼り合わせる部分（接続対象のＬＳＩを取り囲む領域で、対素子密着領域と呼んでいる）に柔軟性を持たせたヒートシンクを使用し、対素子密着領域を選択的に変形させることで、低熱抵抗のＴ−ＢＧＡタイプのパッケージの実装において、ＬＳＩの上面にヒートシンクの対素子密着領域が密着するようにしている。
【特許文献１】特開平１０−２７５９６８号公報
【特許文献２】特開２００１−８５５７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年コンピュータの高性能化に伴いＬＳＩの高集積化、高速化が進み、ＬＳＩの電気信号をより多くより高速に伝える手段として、プリント基板にＬＳＩを直接はんだ付け実装するフリップチップ実装が多く採用されている。コンピュータのＣＰＵなどではほとんどがフリップチップ実装構造を採用している。また同時にＬＳＩの消費電力が増大し、高効率の冷却構造も常に求められている。プリント基板にＬＳＩを直接搭載するフリップチップ実装構造では、ＬＳＩとプリント基板の熱膨張係数の差によりＬＳＩに凸形状の反りが発生する。反ったＬＳＩの上に熱伝導グリースを介してヒートシンクを配置する場合、底面が平坦なヒートシンクでは、ＬＳＩ中央部と外周部で熱伝導グリースの厚みに差が発生し、熱伝導グリースの厚い部分では熱抵抗が高く熱伝導率が悪化するという問題があった。ＬＳＩの反りに合わせてヒートシンクの底面を凹面形状に加工することが考えられるが、数十μｍオーダーでの加工となり、加工自体困難であり、なおかつコストアップにつながる。
【０００６】
特許文献２に記載されるヒートシンクはスリットを有することで柔軟性を持つが、スリット化の狙いは低熱抵抗のＴ−ＢＧＡタイプのパッケージの実装におけるチップの高さのばらつき、傾きに起因して生じるヒートシンクとの間のギャップの吸収にあるため、ヒートシンクの対素子密着領域はその領域全体が平坦な状態で折れ曲がるように設計される。つまり、対素子密着領域自体が例えば半分に容易に折れ曲がるようにはなっていない。従って、上面が凸形状をしているＬＳＩに適用すると、対素子密着領域がその凸形状にならうように変形せず、良好な放熱性は期待できない。
【０００７】
本発明の目的は、ＬＳＩなどの電子部品の上に載置したヒートシンクを電子部品の上面の形状にならう形で変形させることによって、良好な放熱性が得られるようにしたヒートシンクおよびその実装構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１のヒートシンクは、底面を複数の部分領域に分割する線に沿って容易に折れ曲がる構造を有することを特徴とする。
【０００９】
本発明の第２のヒートシンクは、第１のヒートシンクにおいて、底面の外周から中央の繋ぎ部まで延びる複数のスリットを有し、前記スリットによって分割された複数のヒートシンク片が前記繋ぎ部で折れ曲がり易くなっていることを特徴とする。
【００１０】
本発明の第３のヒートシンクは、第２のヒートシンクにおいて、前記繋ぎ部と前記ヒートシンク片とが同じ材質で一体に形成されており、かつ、前記繋ぎ部が折れ曲がり易いように薄く加工されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明の第４のヒートシンクは、第２のヒートシンクにおいて、前記繋ぎ部が弾性体で形成されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明の第５のヒートシンクは、第２のヒートシンクにおいて、４本のスリットが十字の形を成すように形成され、４個のヒートシンク片が前記繋ぎ部で連結されていることを特徴とする。
【００１３】
本発明の第６のヒートシンクは、第１のヒートシンクにおいて、底面のほぼ中央部を横断する形で溝が設けられており、前記溝の部分で折れ曲がり易くなっていることを特徴とする。
【００１４】
本発明の第１のヒートシンクの実装構造は、基板と、前記基板に実装された電子部品と、底面を複数の部分領域に分割する線に沿って容易に折れ曲がる構造を有するヒートシンクと、前記ヒートシンクをその前記部分領域が前記電子部品と重なる部分の中央付近の箇所で前記電子部品に押し付けて固定するための固定部材とを備えたことを特徴とする。
【００１５】
本発明の第２のヒートシンクの実装構造は、第１のヒートシンクの実装構造において、前記ヒートシンクとして、前記第１乃至第６の何れかのヒートシンクを用いることを特徴とする。
【００１６】
『作用』
本発明のヒートシンクは、底面を複数の部分領域に分割する線に沿って容易に折れ曲がる構造を有するため、ヒートシンクを電子部品の上に載置し、固定部材によって、ヒートシンクの前記部分領域が電子部品と重なる部分の中央付近の箇所で電子部品に押し付けるように固定すると、接する電子部品の形状にならう形でヒートシンクが変形する。これにより、電子部品とヒートシンク間の平均的な距離が狭まり、熱抵抗の低減化が図れる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、良好な放熱性を有するヒートシンクおよびその実装構造が得られる。その理由は、ＬＳＩなどの電子部品の上に載置したヒートシンクが、接する電子部品の形状にならう形で変形し、電子部品とヒートシンク間の平均的な距離が狭まって熱抵抗の低減化が図れるからである。これにより、冷却効率の向上が可能であり、消費電力の大きい高性能なＬＳＩの採用、あるいは装置の小型化に寄与できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１を参照すると、本発明の第１の実施の形態にかかるヒートシンク１は、底面の外周から中央の繋ぎ部１１まで延びる４本のスリット１０が十字の形を成すように形成され、スリット１０によって分割された４個のヒートシンク片１ａが繋ぎ部１１でのみ連結されている。スリット１０の幅は、０．１ｍｍ程度と極細くなっている。各ヒートシンク片１ａの底面は平坦である。また、底面と反対側には棒状の多数のフィン１２が格子状に立設されている。
【００１９】
繋ぎ部１１およびヒートシンク片１ａを含めヒートシンク１全体は、アルミニウムや銅など熱伝導率の優れた材質で一体に形成されており、底面の繋ぎ部１１の厚みは、ヒートシンク片１ａの底面の厚みに比べて薄く加工されている。このため、４個のヒートシンク片１ａは、繋ぎ部１１で折れ曲がり易くなっている。
【００２０】
このようなヒートシンク１は、例えば、後述する図８に示すようなヒートシンク１０１を切削加工してスリット１０を設け、繋ぎ部１１の厚みを薄く加工することによって製造することができる。
【００２１】
図２および図３を参照すると、本発明にかかるヒートシンクの実装構造の一実施の形態は、図１に示されるヒートシンク１、ヒートシンク固定ピン２、熱伝導グリース３、ＬＳＩ４、はんだ５、アンダーフィル６、プリント基板７から構成される。
【００２２】
図２に示されるように、プリント基板７上にＬＳＩ４がはんだ５にてはんだ付け実装され、ＬＳＩ４とプリント基板７間にアンダーフィル６が充填硬化されている。このとき、ＬＳＩ４とプリント基板７との熱膨張係数の差により、ＬＳＩ４は裏面側（図の上方側）に凸形状の反りが発生する。ＬＳＩ４の裏面に熱伝導グリース３を塗布し、その上にヒートシンク１を配置し、ビーム部がバネ性を有するヒートシンク固定ピン２でヒートシンク１を固定する。ヒートシンク固定ピン２のビーム部から下に延びる脚部の両端は、プリント基板７の機械穴を通してプリント基板７の裏面に引っかかる形状となっており、ビーム部のバネ力によってヒートシンク１をＬＳＩ４側に押さえつける力が働く。ヒートシンク固定ピン２は、各々のヒートシンク片１ａとＬＳＩ４が重なる部分の中央を押すように加工されており、これによりヒートシンク１がＬＳＩ４の反り形状にならう形で変形する。以下、より具体的に説明する。
【００２３】
図３に示されるように、プリント基板７にＬＳＩ４をはんだ５で直接実装するフリップチップ実装構造では、はんだ付け部が非常に微細であるためアンダーフィル６を充填硬化させて補強し信頼性を確保している。組立手順としては、プリント基板７上のＬＳＩ搭載パッド（図示せず）とＬＳＩ４のはんだ５が対向するように位置決めして搭載し、はんだ５が溶融する温度（たとえばＳｎ６３／Ｐｂ３７（ｗｔ％）であれば１８３℃）以上まで加熱しはんだ付けを行う。
【００２４】
そして、プリント基板７とＬＳＩ４の間隙にアンダーフィル６の樹脂を側面から供給充填し、樹脂の硬化温度（例えば１５０℃）で加熱し硬化させる。このときアンダーフィル樹脂硬化中の１５０℃では、プリント基板７とＬＳＩ４は平坦な面で接する状態であるが、硬化後に室温（例えば２５℃）まで冷却されると、プリント基板７の熱膨張係数はＬＳＩ４のそれより大きいためバイメタル現象が発生し、ＬＳＩ４側に凸形状となる反りが発生する。ＬＳＩ４の熱膨張係数は約３ｐｐｍであり、プリント基板（例えばＦＲ４）の熱膨張係数は約１６ｐｐｍであるので、仮にＬＳＩ４の外形が約２０ｍｍ平方の場合、約１００μｍのＬＳＩ４の反りが発生する。
【００２５】
次に、ＬＳＩ４の裏面に熱伝導グリース３を塗布し、ヒートシンク１をその上に配置し、ヒートシンク固定ピン２のビーム部に設けた折れ曲がり部の先端でヒートシンク１をＬＳＩ４に押しつけるように固定する。ヒートシンク１は、図１に示すように４ヶ所にスリット１０が設けられており、４分割されたヒートシンク１は繋ぎ部１１でつながっている。また繋ぎ部１１はヒートシンク１が変形し易いように薄く加工されている。スリット１０の幅は微細であるため、ヒートシンクの放熱効果に影響を与えるレベルではない。ヒートシンク固定ピン２がヒートシンク１を押しつける折れ曲がり箇所は、各ヒートシンク片１ａと重なるＬＳＩ部分の中央付近になるように加工されている。ヒートシンク固定ピン２の両端は、プリント基板７の機械穴を通ってプリント基板７の裏面に引っかかる形で固定される。
【００２６】
本実施の形態では、ビーム部に２つの折れ曲がり部を持つ１本のヒートシンク固定ピン２で２個のヒートシンク片１ａを固定したが、枠型に加工した一体型のヒートシンク固定ピンのビーム部に４つの折れ曲がり部を持たせて、１つのヒートシンク固定ピンでヒートシンク１の４つのヒートシンク片１ａをＬＳＩ側に押しつけて固定するようにしても良く、またヒートシンクをＬＳＩ側に押しつけて固定する構造は他の構造でもかまわない。
【００２７】
前記のようにスリット１０が設けられたヒートシンク１を反りが発生したＬＳＩ４上に配置しヒートシンク固定ピン２で固定することによって、図３に示されるようにヒートシンク１はＬＳＩ４の反りにならって変形する。ＬＳＩ４の反りが１００μｍの場合、熱伝導グリース３の最も薄い部分はＡ部であり、最も厚い部分はＢ部である。仮にＡ部が約２０μｍであった場合Ｂ部は４５μｍとなる。この時の熱伝導グリースの厚み平均は（２０＋４５）／２で概算され、約３３μｍ相当となる。
【００２８】
これに対して、図８に示されるようなスリットが形成されていない従来のヒートシンク１０１を使用した図９および図１０に示される実装構造では、ＬＳＩ４の上面に熱伝導グリース３を塗布しヒートシンク１０１をその上に配置してヒートシンク固定ピン１０２でＬＳＩ４側にヒートシンク１０１の中央を押しつけるように固定する。このとき、ＬＳＩ４の反りが１００μｍの場合、ＬＳＩ中央部の熱伝導グリースの厚みＣ部は約２０μｍであるが、ＬＳＩ４の外周部の熱伝導グリースの厚みＤ部は約１２０μｍとなる。従って、熱伝導グリース３の厚み平均は（１２０＋２０）／２で概算され約７０μｍ相当となる。
【００２９】
このように本実施の形態の実装構造によれば、熱伝導グリース３の厚みを従来のヒートシンク１０１を使用する実装構造の約半分にすることができる。たとえばＬＳＩ４の発熱量を約１００Ｗとし、図９および図１０の実装構造における熱伝導グリース部分の熱抵抗を０．２℃／Ｗとした場合、熱伝導グリース部分で約２０℃の温度上昇が発生するが、本発明では熱伝導グリースの厚みが約半分であるため熱抵抗も約半分となり、１０℃の温度上昇を改善できる。
【００３０】
本実施の形態はプリント基板上にＬＳＩがフリップチップ実装された構造に本発明を適用したものであるが、図４に示されるように、プリント基板７にはんだ１１１でＢＧＡ基板１１０を実装し、このＢＧＡ基板１１０上にＬＳＩ４がはんだ５にてはんだ付け実装され、ＬＳＩ４とＢＧＡ基板１１０間にアンダーフィル６が充填硬化されたフリップチップＢＧＡ１１２にも本発明の構造は適用可能である。また、図４のＬＳＩ４を覆うように金属蓋を設けた図５に示す構造の金属蓋付きの集積回路に対しても本発明は適用可能である。更に、図示していないがＱＦＰといったＬＳＩを実装した構造においても本発明の構造は採用でき、ＬＳＩの形状が凸形状でも凹形状でもヒートシンクが形状にならうように追従するため採用できる。
【００３１】
図６を参照すると、本発明の第２の実施の形態にかかるヒートシンク１３は、４個のヒートシンク片１３ａを弾性体（例えばゴム）１５にて連結している。隣接するヒートシンク片１３ａ間には微少な隙間１４（例えば０．１ｍｍ）が設けられている。つまり、本実施の形態にかかるヒートシンク１３は、図１に示したヒートシンク１の繋ぎ部１１をヒートシンク片とは異なる材質の弾性体１５で構成したものに相当する。機能的には図１のヒートシンク１と同等であり、変形しやすさという点では図６の構造がより有効である。なお、このようなヒートシンク１３は、例えば、４つのヒートシンク片１３ａと弾性体１５とを接着剤などによって接着して作ることができる。
【００３２】
図７を参照すると、本発明の第３の実施の形態にかかるヒートシンク１６は、底面のほぼ中央部を横断する形で１本の溝１７が設けられており、溝１７の部分で折れ曲がり易くなっている。この構造の場合、ヒートシンク片１６ａは高々２つなので、図１の構造とは異なりヒートシンク１６とＬＳＩ間の熱伝導グリースの厚みを減らすという効果の点では若干劣るが、長方形のＬＳＩなどには有効であり、なおかつ低コスト化が図れる利点がある。なお、溝１７は図７のように中央１本だけでなく、その片側あるいは両側に１本以上の溝を設け、合計複数本の溝があっても良い。このようなヒートシンク１６は、例えば、図８に示したようなヒートシンク１０１に溝１７を切削加工することによって製造することができる。
【００３３】
上述した第２および第３の実施の形態にかかるヒートシンク１３、１６の実装構造は、基本的に図２および図３に示した第１の実施の形態と同じである。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかるヒートシンクの平面図（ａ）および側面図（ｂ）である。
【図２】本発明の第１の実施の形態にかかるヒートシンクの実装構造の平面図（ａ）および縦断面図（ｂ）である。
【図３】本発明の第１の実施の形態にかかるヒートシンクの実装構造の縦断面の拡大図である。
【図４】本発明のヒートシンクの実装構造の別の実施の形態にかかる縦断面である。
【図５】本発明のヒートシンクの実装構造のさらに別の実施の形態にかかる縦断面である。
【図６】本発明の第２の実施の形態にかかるヒートシンクの平面図（ａ）および側面図（ｂ）である。
【図７】本発明の第３の実施の形態にかかるヒートシンクの平面図（ａ）および側面図（ｂ）である。
【図８】従来の一般的なヒートシンクの平面図（ａ）および側面図（ｂ）である。
【図９】従来の一般的なヒートシンクの実装構造の平面図（ａ）および縦断面図である。
【図１０】従来の一般的なヒートシンクの実装構造の縦断面の拡大図である。
【符号の説明】
【００３５】
１…ヒートシンク
１ａ…ヒートシンク片
２…ヒートシンク固定ピン
３…熱伝導グリース
４…ＬＳＩ
５…はんだ
６…アンダーフィル
７…プリント基板
１０…スリット
１１…繋ぎ部
１２…フィン
【図１】
2006237060.tif 000003
【図２】
2006237060.tif 000004
【図３】
2006237060.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2006237060.tif 000008
【図７】
2006237060.tif 000009
【図８】
2006237060.tif 000010
【図９】
2006237060.tif 000011
【図１０】
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